JPH03148029A - 圧力検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　　要〕 本発明は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して気体や液
体などの流体物質の圧力を電気的に検出する圧力検出器
に関し、圧力を検出する素子として半導体感圧素子の側
面に入力電極及び出力電極となる電極パッドを配置した
側面電極型の圧力センサを用い、リード引出部に立設し
たリードピンの弾発部が圧力センサの電極パッドに圧接
するようにして圧力センサとリードピンとの電気的導通
を図り、小型でありながら高い感圧特性を有し、かつ、
製造工程も極めて簡易である圧力検出器を形成しようと
するものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体のピエゾ抵抗効果を利用して圧力を検
出する圧力検出器に関し、特に、半導体感圧素子の側面
に入力電極及び出力電極を配置した側面電極型の圧力セ
ンサを用いた圧力検出器に係わる。

〔従来の技術〕

液体や気体など流体物質の圧力を高精度に検出する圧力
検出器には、一般に、半導体のピエゾ抵抗効果を利用し
たウェハ状の半導体感圧素子が用いられている。半導体
感圧素子は、印加される圧力の変化を電気抵抗値の変化
に変換するもので、使用する半導体の材質、伝導型、キ
ャリア濃度。

結晶軸方向などを適宜選択することにより、種々の感圧
特性を有する半導体感圧素子を形成することができる。

例えば、ホウ素などの不純物を低濃度に含有するｐ型の
シリコンを用いて半導体感圧素子を形成する場合、結晶
軸＜１１０＞が法線方向を成すようウェハを切り出し、
さらに、ウェハの面内で互いに直行する結晶軸＜００１
＞及び（１１０＞が−の側辺に対して４５°を成すよう
ウェハを正方゛形状に切り出せば、高い感圧特性を有す
る半導体感圧素子を形成することができる。

このように形成された半導体感圧素子には、機械的強度
を付加するための台座が接合されるとともに、台座の形
態に応じた入力電極及び出力電極が配置され、これによ
り、圧電変換機能を有する圧力センサが形成される。そ
して、このように形成された圧力センサは、入力電極及
び出力電極の配置形態の相違によって表面電極型と側面
電極型との二種のタイプに分類され、圧力検出器の形成
には、その圧力センサのタイプに適合した所定の実装構
造が採用されている。

以下、図面を用いながら、前記タイプに応した圧力セン
サの圧力検出器への実装構造を圧力検出器全体の製造工
程とともＧこ説明する。

まず、第３図に、表面電極型の圧カセンザを用いた従来
の圧力検出器の垂直断面図を示す。

同図に示すように、半導体感圧素子１には、素子下面の
全面部分に下部台座２が、素子上面の中央部分に上部台
座３がそれぞれ接合されており、圧力センサの入力電極
及び出力電極となる電極パッド４は、素子上面（表面）
の周縁部に配置されている。

このような半導体感圧素子１を用いて形成した表面電極
型の圧力センサは、リードピン５を封止用ガラスなどで
固定したハーメチック端子６に下部台座２を介して接合
され、さらに、電極パッド４とリードピン５とは、ボン
ディング処理によって金線７で接続される。このとき、
半導体感圧素子１の上面中央部分に接合された上部台座
３は、ボンディング処理を阻害するものであってはなら
ない。そして、金線７によって電極パッド４とリードピ
ン５との電気的な接続が図られると、圧力を半導体感圧
素子ｌに伝えるブツシュロッド８が上部台座３の上面に
接合され、さらに、圧力検出器の外壁を形成するリング
９がハーメチック端子６の一部に接合され、最後に、圧
力の検出部分となるダイアフラム１０がプリロード（無
加圧時の負荷）の調整とともにブツシュロッド８及びリ
ング９に接合される。これにより、表面電極型の圧力セ
ンサを用いた圧力検出器が得られることになる。

次に、第４図に、側面電極型の圧力センサを用いた従来
の圧力検出器の垂直断面図を示す。

同図に示すように、半導体感圧素子１１には、素子下面
及び素子上面の全面部分に下部台座１２及び上部台座１
３が接合されており、圧力センサの入力電極及び出力電
極となる電極パッド１４は、半導体感圧素子１１の四側
辺との電気的導通を保ちながら、下部台座１２及び上部
台座１３によって形成された直方体片の四側面に配置さ
れている。

このような側面電極型の半導体感圧素子１１を用いて形
成した側面電極型の圧力センサは、先に第３図に示した
従来例と同様に、リードピン１５を封止用ガラスなどで
固定したハーメチック端子１６に下部台座１２を介して
接合され、さらに、電極パッド１４とリードピン１５と
は、ボンディング処理によって金線１７で接続される。

そして、金１１７によって電極パッド１４とリードピン
１５との電気的な接続がはかられると、ブツシュロッド
１８が上部台座１３の上面に接合され、さらに、リング
１９がハーメチック端子１６の一部に接合され、最後に
、ダイアフラム２０がプリロードの調整とともにブツシ
ュロッド１８及びリング１９に接合される。これにより
、側面電極型の圧力センサを用いた圧力検出器が得られ
ることになる。

続いて、第５図の（ａ）及びら）に、側面電極型の圧力
センサを用いた従来の他の圧力検出器の要部分解斜視図
及び要部垂直断面図を示す。

一 同図に示すように、この従来例における側面電極型の圧
力センサは、先に第４図に示した従来例と同様に、半導
体感圧素子２１に下部台座２２及び上部台座２３を接合
した後に四側面に電極パッド２４を配置したものである
。

このような半導体感圧素子２１を用いて形成した側面電
極型の圧力センサは、リードピン２５を挿通したステム
２６の突状台座２７に下部台座２２を介して接合され、
電極パッド２４とリードピン２５とは、弾発部を有する
圧着端子２８で接続される。このとき、圧着端子２８は
リードピン２５の端部に圧着により接続され、圧着端子
２８の弾発部は、半導体感圧素子２１の側面とスペーサ
２９の内壁とに挟持されて電極パッド２４に圧接される
。これにより、電極パッド２４とリードピン２５との電
気的な接続が図られ、側面電極型の圧力センサを用いた
圧力検出器が得られることになる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このような圧力検出器は、取扱い面では、小
型でありながら高い感圧特性を有するものであることが
望まれており、製造の面でも、その工程が簡易なもので
あることが望まれている。

第３図に示した圧力検出器の場合、小型化を図るために
図示の内径りを縮小しようとすると、ボンディング機の
キャピラリが上部台座３に接触する可能性があり、充分
なボンディング処理を電極パッド４及びリードピン５に
対して施すことができない。これを回避するためには上
部台座３の幅を内径方向に縮小させれば足りるが、表面
電極型の圧力センサは本来的に出力精度が悪く、仮に、
上部台座３の幅を縮小させることによって圧力検出器の
小型化が達成されたとしても、所望の感圧特性を有する
圧力検出器を得ることはできない。

また、第４図に示した圧力検出器の場合、側面電極型の
圧力センサを用いているので感圧特性にはすぐれている
ものの、電極パッド１４が側面に配置されているため、
第３図の圧力検出器におけるボンディング処理よりも一
段と困難なボンディング処理が要求されることになる。

仮に、このボンディング処理が可能であるとしても、ボ
ンディング処理を必要とする部分が四箇所に及ぶことか
ら、製造過程にある圧力検出器をボンディング機の固定
治具に四回も着脱しなければならず、結果的に、圧力検
出器の製造工程を複雑なものとしてしまう。

さらに、第５図に示した圧力検出器の場合、高い感圧特
性を有する側面電極型の圧力センサを用い、かつ、製造
工程の簡易化を妨げるボンディング処理が一切不要では
あるものの、リードピン２５に接続された圧着端子２８
の弾発部は、スペーサ２９によって電極パッド２４に圧
接されるまでは半固定の不安定な状態にあり、これを手
作業によって所定の状態に固定するためには相当の熟練
を要する。また、不安定な状態にあるリードピン２５の
位置決めはスペーサ２９によって行われるため、スペー
サ２９の内壁をリードピン２５の形状に対応するよう加
工しなければならず、この圧力検出器においても、製造
工程の簡易化が充分に達成されているとはいえない。

本発明は、このような実情に鑑みて為されたものであり
、その目的は、小型でありながら高い感圧特性を有する
とともに製造工程も極めて節易な圧力検出器を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、半導体感圧素子の側辺に該半導体感圧素子と
の電気的導通を図る複数の電極パッドを配置して成る側
面電極型の圧カセンザを用いて形成した圧力検出器に適
用されるものである。

そして、本発明は、リード引出部の複数箇所に弾発部を
個々に有する複数のリードピンを立設し、複数のリード
ピンの弾発部が複数の電極パッドに圧接するようリード
引出部の内面における複数のリードピンで包囲された部
位に圧力センサを設置したことを特徴とするものである
。

〔作　　用〕

本発明では、例えば、ホウ素などの不純物を低濃度に含
有するｐ型のシリコンウェハを結晶軸が所定の方向を成
すように切り出して正方形状の半導体感圧素子を形成す
る。そして、所定の形状に０ 切り出した半導体感圧素子の下面及び上面の全面にガラ
スやセラミックなどの絶縁性物質から成る下部台座及び
上部台座を強固に接合することにより、半導体感圧素子
の全体に機械的な強度を付加するとともに、半導体感圧
素子の各所に印加される圧力の分布を均等化させる。さ
らに、下部台座及び上部台座の接合によって形成された
半導体感圧素子を含む直方体片の西側面には、その直方
体片の各側面に現われる半導体感圧素子の四側辺との電
気的導通を図るためのアルミニウムなどから成る電極パ
ッドが配置される。これにより、高い感圧特性を有する
側面電極型の圧力センサが得られる。

このようにして形成された側面電極型の圧力センサは、
以下に説明する手法によって圧力検出器に組み込まれる
。

すなわち、板バネなどの弾発部を個々に有し、圧力セン
サの機能を外部に引き出す複数のリードピンが、まず、
リード引出部の所定の位置に形成された複数の挿通孔な
どに立設される。このとき、リード引出部番こ立設され
たリードピンは、例えば、封止用ガラスなどによって固
定されたり、挿通孔に直接嵌合するなどして既に安定な
状態を得ている。そして、複数のリードピンの弾発部が
複数の電極パッドに圧接するようリード引出部の内面に
おける複数のリードピンで包囲された部位に圧力センサ
が設置され、電極バンドとリードピンとは、ボンディン
グ処理などの溶接を適用することなく電気的に安定して
接続されることになる。これにより、圧力検出器の大き
さを決める内径が飛躍的に縮小されるとともに、従来に
比して、その製造工程も極めて簡易なものとなる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明を具体化した実施例について、図面を参照
しながら詳細に説明する。

第１図の（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施例に係る
圧力検出器の垂直断面図及び水平断面図である。

同図（ａ）に示すように、側面電極型の圧力センサは、
従来のものと同様に形成されている。すなわち、半導体
感圧素子３１は、ホウ素などの不純物１ ２ を低濃度に含有するｐ型のシリコンから、結晶軸（１１
０＞が法線方向をなすようウェハを切り出し、さらに、
ウェハの面内で互いに直交する結晶軸＜００１＞及び＜
１１０＞が−の側辺に対して４５°を成すよう正方形状
に切り出したものである。そして、このように形成した
半導体感圧素子３１の下面及び上面には、その全面に対
し、ガラスやセラミックなどの絶縁性物質から成る下部
台座３２及び上部台座３３が接合されるとともに、下部
台座３２及び上部台座３３によって形成された直方体片
の四側面には、入力電極及び出力電極となるアルミニウ
ムなどから成る複数（四つ）の電極パッド３４が、半導
体感圧素子３１の四側辺との電気的導通を図りながら真
空蒸着などの手法によって配置される。

このようにして、半導体感圧素子３１を下部台座３２及
び上部台座３３とともに一体に形成することにより、高
い感圧特性を有する側面電極型の圧力センサ３５が得ら
れる。そして、得られた圧力センサ３５は、以下に説明
する手法によって圧力検出器に組み込まれる。

まず、圧力検出器の底面部分を構成するリード引出部３
６には、圧力センサ３５の機能を外部に引き出すための
複数（四本）のリードピン３７が挿通孔などに立設され
る。リードピン３７の端部には弾発部としての逆Ｊ字状
の板バネ部が形成されており、リードピン３７は、その
板バネ部の折り返し部分が互いに外側を向くように封止
用ガラスなどによって固定され、この時点で、既に機械
的に安定した状態を得ている。

次に、複数のリードピン３７が立設されたリード引出部
３６の内側には、先に形成した側面電極型の圧力センサ
３５が設置される。この設置に際し、圧力センサ３５は
複数のリードピン３７の板バネ部によって四方（西側面
）から挟持され、この時点で、複数の電極パッド３４に
複数のり−ドピン３７が圧接されて既に両者の電気的な
接続が図られている。したがって、電極パッド３４とリ
ードピン３７との電気的な接続を安定化させる目的でリ
ード引出部３６の内面に圧力センサ３５を　３− ４ 機械的に接合する必要性は特にない。

ここで、電極パッド３４とリードピン３７との電気的な
接続をより確実なものとするには、複数のリードピン３
７の板バネ部を包む圧力センサ３５の側面に筒状のスペ
ーサ３８を設置するとよい。

これにより、複数のリードピン３７の板バネ部は、スペ
ーサ３８の内壁と圧力センサ３５の電極パッド３４の表
面とで挟持され、リードピン３７がその板バネ部の復元
力によって電極パッド３４の表面に強固に圧接される。

なお、スペーサ３８の内壁は、同図（ロ）に示すような
円形断面を有しており、リードピン３７の形状に対応し
た加工は特に施されていない。これは、リードピン３７
が既に封止用ガラスなどによってリード引出部３６に安
定に固定されており、圧力センサ３５に対するリードピ
ン３７の位置決めをスペーサ３８によって行う必要がな
いためである。

したがって、リードピン３７に弾発力の強いものを用い
れば、所望によりスペーサ３８の設置を省略することも
可能である。

電極パッド３４とリードピン３７との電気的な接続がス
ペーサ３８によって図られると、従来と同様にして（例
えば、第４図参照）、まず、ブツシュロッド３９が圧力
センサ３５の上部台座３３の上面に接合され、さらに、
リング４０がリード引出部３６の周縁部及びスペーサ３
８の外壁に接合され、最後に、ダイアフラム４１がプリ
ロードの調整とともにブツシュロッド３９の上面及びリ
ング４０の上部外壁に接合される。これにより、側面電
極型の圧力センサ３５を用いた所望の圧力検出器が得ら
れることになり、従来のものに比べて、図示の内径ｄを
大幅に縮小させることができる。

続いて、本発明の詳細な説明する。

第２図の（ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の他の実施例に係
る圧力検出器の主要部及び一部を示す垂直断面図である
。なお、図中では説明を簡略化するために、第１図に示
した各部材に対応するものに関して同一の符号を付しで
ある。

同図（ａ）に示すように、本変形例で用いられる側５ １６− 面電極型の圧力センサ３５は、第１図に示したものと同
等なものであり、また、圧力検出器の主要部を構成する
各部材も、リードピン３７やその周辺部材を除いて、第
１図に示したものと基本的に同等なものである。ここで
は、本変形例において特徴的なリードピン３７とその周
辺部材の詳細について説明するものとする。

そのリードピン３７は、弾発部としての逆Ｊ字状の板バ
ネ部を有する圧着端子４２が端部に接続されたものであ
り、そのリードピン３７の立設に際しては、リード引出
部３６の一部にリードピン３７及び圧着端子４２の形状
に合致した挿通孔を形成し、この挿通孔にリードピン３
７及び圧着端子４２を嵌合させることによって安定な状
態を得ている。また、圧力センサ３５とリードピン３７
との電気的な接続は、リードピン３７の弾発力によって
圧着端子４２を圧力センサ３５の側面に圧接させるとと
もに、その圧着端子４２をスペーサ３８の内壁と圧力セ
ンサ３５の側面とで挟持させて行われる。すなわち、本
変形例の場合、高温加熱を伴う封止用ガラスによるリー
ドピン３７の固定は一切不要で、リードピン３７の材質
や熱膨張係数などを考慮する必要が全くないという利点
がある。

なお、同図［有］）に示すように、スペーサ３８の内壁
に下方に開口したテーパーを形成すれば、圧着端子４２
を挟持する際のスペーサ３８の設置を容易なものとする
ことができ、さらに、同図（Ｃ）に示すように、スペー
サ３８の内壁に下方及び」１方に開口したテーパーを形
成すれば、同図（ｂ）における効果に加えて、振動など
に起因する圧着端子４２からのスペーサ３８の離脱を抑
制することができる。勿論、このようにしてテーパーを
形成したスペーサ３８は、第１図に示した圧力検出器に
も適用可能である。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明によれば、半導体感
圧素子の側面に電極を配置した側面電極型の圧カセンザ
を用いたので、小型でありながら高い感圧特性を有する
圧力検出器を構成すること７ ８ ができ、また、圧力センサの設置に際し、リード引出部
に予め立設したリードピンの弾発部を圧力センサの電極
パッドに圧接させるようにして両者の電気的な接続を図
ったので、圧力検出器の製造工程を大いに簡略化するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る圧力検出器を示す垂
直断面図及び水平断面図、 第２図は、本発明の他の実施例に係る圧力検出器の主要
部及び一部を示す垂直断面図、第３図は、表面電極型の
圧カセンザを用いた従来の圧力検出器を示す垂直断面図
、 第４図は、側面電極型の圧力センサを用いた従来の圧力
検出器を示す垂直断面図、 第５図は、側面電極型の圧力センサを用いた従来の他の
圧力検出器の主要部を示す分解斜視図及び垂直断面図で
ある。 ３１・・・半導体感圧素子、 ３４・・・電極パッド、 ３５・・・圧力センサ、 ３６・・・リード引出部、 ３７・　・・リードピン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体感圧素子（３１）の側辺に該半導体感圧素子との
   電気的導通を図る複数の電極パッド（３４）を配置して
   成る側面電極型の圧力センサ（３５）を用いて形成した
   圧力検出器において、ソード引出部（３６）の複数箇所
   に弾発部を個々に有する複数のリードピン（３７）を立
   設し、該複数のリードピンの弾発部が前記複数の電極パ
   ッドに圧接するよう前記リード引出部の内面における前
   記複数のリードピンで包囲された部位に前記圧力センサ
   を設置したことを特徴とする圧力検出器。